多尺度结构高温混合蓄热的热过程特性及强化机理

本项目以太阳能高温热转换利用作为基础研究的应用背景，提炼出开发高温蓄热技术所需解决的多尺度结构中多相流体流动行为与耦合传热传质规律的关键科学问题，作为研究目标。采用熔融盐作为传热蓄热介质，构建多尺度结构斜温层混合蓄热方法及系统，研究多尺度结构中传热蓄热介质流动与热交换规律。以结构尺度、孔隙分布和微弱现象影响区域为重点考虑，确定传递现象、各种微弱效应现象与多尺度因素的耦合关系，深入探悉多孔微细结构内多相多物系界面迁移特性，揭示微结构形成、稳定性条件和结构突变对多孔蓄热材料中熔融盐输运过程的影响机理和耦合作用规律，确定多孔蓄热材料微结构与宏观输运特性之间量化关系，发展多孔蓄热材料微结构可控的设计与制备新技术，探索强化蓄热过程传热传质机理与方法，实现对高温蓄热过程宏观现象的理论预测以及过程工程设计的一般方法。

本项目以太阳能高温热转换利用为应用背景，以斜温层蓄热单罐设计理念为基础，采用混合硝酸熔融盐作为传热蓄热介质，锆质蓄热球与泡沫碳化硅陶瓷两种代表性的多孔介质填料作为固体蓄热体，构建了多尺度结构斜温层混合蓄热方法及系统。实验研究了多尺度结构中熔融盐的流动与蓄热特性，包括温度场分布、斜温层的形成与演化、有效蓄热容量等，确定流体进口速度、蓄热温差等工况参数对熔融盐在多尺度结构中流动与传热性能的影响趋势与作用规律。研究结果表明，由于斜温层的存在，三种实验蓄热方式中的理论蓄热效率小于80%；多孔介质填料的加入有利于保持熔融盐流体为理想的重力流或活塞流，并部分替代价格较高的熔融盐传热蓄热介质，因而采用类似的球形颗粒或泡沫陶瓷多孔介质填料时需要结合系统的蓄热容量以及经济性进行最优化设计。.基于多孔介质局部热平衡理论，建立考虑流体热物性变化的斜温层蓄热数值模型，利用Fluent软件对熔融盐斜温层混合蓄热与放热过程进行了数值分析，研究多孔介质物性、孔隙结构以及工况参数等对多尺度结构中熔融盐传热与流动的影响规律，并根据蓄热实验测试结果验证数值计算模型的有效性。结果表明，在蓄热及放热过程中，蓄热单罐内均形成了稳定的斜温层，并且随着时间的推移，斜温层的位置沿熔融盐流动方向移动，其厚度不断增加，但增加量逐渐趋缓；采用合理的低流速进行高温蓄热可以控制斜温层的形成及演化，从而提高系统的蓄热效率。比较数值计算结果与实验结果可知，其温度场、斜温层等特征参数的分布及变化规律是基本一致的，最大相对偏差值为13.9%，说明基于多孔介质局部热平衡理论建立的计算模型对于描述多尺度结构中熔融盐流动与传热现象是适用的。.探索强化蓄热过程传热传质机理与方法，优化设计多尺度结构熔融盐单罐蓄热系统。设定一种体积热容（ρcp）高于熔融盐的球形颗粒填料，在指定工况下对蓄热过程进行数值模拟。对比分析可知，其蓄热时间相比于熔融盐单相流体斜温层蓄热方式有较明显的延长，即提升了系统的有效蓄热体积容量，估算其增幅约为17%；同时在整个蓄热过程中，新设定系统的斜温层厚度与增长速率均低于熔融盐单相流体斜温层蓄热方式。因此，通过对斜温层混合蓄热系统的多孔介质填料进行性能提升或者结合熔融盐复合相变材料蓄热方式，可以实现对蓄/放热过程斜温层的形成及演化进行优化调控，从而提高系统的蓄热效率，这也为下一步的研究工作指明了努力的方向。